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CN109282806B - 用于确定步行者位置的方法、装置和存储介质 - Google Patents

用于确定步行者位置的方法、装置和存储介质 Download PDF

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CN109282806B CN201710594851.7A CN201710594851A CN109282806B CN 109282806 B CN109282806 B CN 109282806B CN 201710594851 A CN201710594851 A CN 201710594851A CN 109282806 B CN109282806 B CN 109282806B
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Abstract

本发明涉及测量技术，特别涉及一种用于确定步行者位置的方法以及实现该方法的装置和存储介质。按照本发明一个实施例的用于确定步行者位置信息的方法包含下列步骤：获取步行者一个或多个走步的步长测量值和行进方向测量值；以及由步长测量值和行进方向测量值确定步行者的位置信息，其中，每个走步由一对设置在步行者不同下肢上的信号接收器和信号发射器提供，所述行进方向测量值由惯性测量单元提供。

Description

用于确定步行者位置的方法、装置和存储介质
技术领域
本发明涉及测量技术，特别涉及一种用于确定步行者位置的方法以及实现该方法的装置和存储介质。
背景技术
步行者航位推算(PDR)对步行者行走的步数、步长和行进方向进行测量和统计，从而推算出步行者的行走轨迹和位置等信息。
在利用惯性测量单元(IMU)的步行者航位推算方法中，可以根据加速度信息来计算步行者的步长和步数，并且利用陀螺仪或磁场传感器来估计行进方向，由此确定出步行者的位置或运动轨迹。但是这种方法受所谓的“漂移问题”所困(因为加速度测量偏差所致)，定位精度不佳。
另外一种步行者航位推算方法基于超宽带(UWB)定位技术，其通过接收信号的时间差来测量距离和定位，其中信号接收器通常安装在固定位置，运动对象则配备信号发射器(例如无线信号发射标签)。但是UWB定位的缺点也是明显的。例如，在室内环境下，由于障碍物的遮挡，信号接收器可能无法接收到运动对象发送的信号，从而导致定位失败。此外，这种定位技术需要预先获得信号接收器的位置，然而在一些情况下，信号接收器将变得不可用(例如信号接收器因为火灾而受损)。
由上可见，对于业界来说，提供一种在成本、精度和可靠性等诸多方面均能达到令人满意的水准的步行者航位推算方法将是一个巨大的挑战，而市场对于这样的技术方案又是迫切需要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定步行者位置信息的方法，其具有精度高、实现成本低和可靠性高等优点。
按照本发明一个实施例的用于确定步行者位置信息的方法包含下列步骤：
获取步行者一个或多个走步的步长测量值和行进方向测量值；以及
由步长测量值和行进方向测量值确定步行者的位置信息，
其中，每个走步由一对设置在步行者不同下肢上的信号接收器和信号发射器提供，所述行进方向测量值由惯性测量单元提供。
优选地，在上述方法中，所述信号接收器、信号发射器和所述惯性测量单元被设置在步行者的脚部。
优选地，在上述方法中，所述位置信息包括步行者的位置和/或行走轨迹。
优选地，在上述方法中，依照下列方式确定步行者的位置：
这里x和y分别为步行者位置的横坐标和纵坐标，n为走步的数量，Δri为第i个走步的步长，θi为第i个走步的行进方向测量值，Δrfh,i为第i个走步开始时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,i为第i个走步结束时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrv为步行者双脚平行站立时双脚之间的距离。
优选地，在上述方法中，所述惯性测量单元包含第一子单元和第二子单元，其设置在步行者不同的下肢上，所述方法依照下列方式确定步行者的位置：
这里x和y分别为步行者位置的横坐标和纵坐标，n为走步的数量，Δrr,i和Δrl,i分别为右脚和左脚的第i个走步的步长，θr,i为由第一子单元和第二子单元的其中一个提供的第i个走步的行进方向测量值，θl,i为由第一子单元和第二子单元的另一个提供的第i个走步的行进方向测量值，Δrfh,r,i为右脚第i个走步开始时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,r,i为右脚第i个走步结束时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrfh,l,i为左脚第i个走步开始时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,l,i为左脚第i个走步结束时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrv为步行者双脚平行站立时双脚之间的距离。
本发明的还有一个目的是提供一种用于确定步行者位置的装置，其具有精度高、实现成本低和可靠性高等优点。
按照本发明一个实施例的用于确定步行者位置的装置包含：
一对设置在步行者不同下肢上的信号接收器和信号发射器，配置为提供步行者一个或多个走步的步长测量值；
惯性测量单元，配置为提供步行者一个或多个走步的行进方向测量值；以及
处理器，配置为由步长测量值和行进方向测量值确定步行者的位置信息。
本发明的还有一个目的是提供一种计算机可读存储介质，其能够以高精度、高可靠性和低成本的方式确定步行者的位置信息。
按照本发明另一个方面的计算机可读存储介质，其上存储计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如上所述的方法。
由于信号接收器和信号发射器组合所提供的步长测量值在精度上远优于惯用测量单元测得的步长值，因此按照本发明的方法和装置提高了位置信息的精度。此外，本发明的技术方案也摆脱了对UWB定位信号接收器的依赖。
附图说明
本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示，附图包括：
图1为按照本发明一个实施例的用于确定步行者位置的装置的示意框图。
图2为按照本发明另一个实施例的用于确定步行者位置的装置的示意框图。
图3为按照本发明另一个实施例的用于确定步行者位置信息的方法的流程图。
图4A和4B为走步的示意图，其示出了各个参数之间的几何关系。
图5为按照本发明另一个实施例的用于确定步行者位置信息的方法的流程图。
具体实施方式
下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，从而使对本发明保护范围的理解更为全面和准确。
诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。
诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。
在本文中，“位置信息”应该广义理解为各种与位置相关的信息，例如包括但不限于步行者的位置和行走轨迹等。
在绝大多数情况下，人类的行走是左右腿交替进行的。在本文中，一个走步指的是左脚或右脚行走的单个步伐。
按照本发明的一个方面，每个走步的步长测量值由一对设置在步行者不同下肢上的信号接收器和信号发射器提供。当行走时，设置在不同下肢上的信号接收器和信号发射器将感测到它们之间距离的变化，这种距离信号与每个走步的步长值具有高度对应关系，因此可以从中得到步长测量值。此外，每个走步的行进方向测量值由惯性测量单元提供。所提供的步长测量值和行进方向测量值可用来确定步行者的位置信息。
步行者下肢之间的距离随着交替行走而发生变化，信号接收器和信号发射器协同配合即可测量得到每个走步的步长值。由于脚在平面内的移动距离几乎就是人的行走距离，因此按照本发明的另一个方面，信号接收器和信号发射器被设置在步行者的脚部(例如将信号接收器和信号发射器设置在贴附于脚踝等处的脚环内或者设置于鞋子的底部)。但是需要指出的是，下肢的其它部位也是可行的。
按照本发明的另一个方面，惯性测量单元包含第一子单元和第二子单元，这两个子单元被设置在步行者不同的下肢上(例如脚部)，分别独立地提供行进方向测量值，由此可以得到与两个行进方向测量值相对应的两组位置信息。可以通过将两组位置信息作适当的组合(例如取算术平均)来进一步提高位置信息的精度。
按照本发明的另一方面，可以在获取步行者一个走步的步长测量值和行进方向测量值之后即确定该走步的位移，并由此得到步行者的实时运动轨迹和位置；或者也可以在获取步行者的多个走步的步长测量值和行进方向测量值之后再确定这些走步的位移，并由此得到步行者的位置信息的历史。
按照本发明的另一方面，每个走步的步长测量值和行进方向测量值都由惯性测量单元提供，并且利用由一对设置在步行者不同下肢上的信号接收器和信号发射器提供的步长测量值对惯性测量单元得到的步长测量值进行校准，从而解决漂移问题。
以下借助附图具体描述本发明的实施例。
图1为按照本发明一个实施例的用于确定步行者位置的装置的示意框图。图1所示的装置10包括一对信号接收器110A和信号发射器110B、惯性测量单元120和处理器130。
在本实施例中，信号接收器110A和信号发射器110B适于设置在步行者不同的下肢上，其被配置为协同工作以提供步行者一个或多个走步的步长测量值。惯性测量单元120配置为提供步行者一个或多个走步的行进方向测量值。优选地，信号接收器110A、信号发射器110B和惯性测量单元120适于设置在步行者的脚部。更好地，惯性测量单元120可以与信号接收器110A和信号发射器110B的其中一个集成在一起。
如图1所示，处理器130与信号接收器110A耦合以接收步长测量值并且与惯性测量单元120耦合以接收行进方向测量值。处理器130被配置为由步长测量值和行进方向测量值确定步行者的位置信息。有关位置信息的具体确定方法将在下面结合图3和4作详细的描述。
图2为按照本发明另一个实施例的用于确定步行者位置的装置的示意框图。图2所示的装置20包括一对信号接收器210A和信号发射器210B、惯性测量单元220和处理器230。
与图1所示的实施例相比，本实施例的主要差别在于惯性测量单元220。具体而言，在本实施例中，惯性测量单元220包含被设置在步行者不同的下肢上(例如脚部)的第一子单元221和第二子单元222，它们分别独立地提供行进方向测量值。优选地，可以将第一和第二子单元221、222的其中一个与信号接收器210A和信号发射器210B的其中一个集成在一起，并且将第一和第二子单元221、222的另一个与信号接收器210A和信号发射器210B的另一个集成在一起。
如上所述，步长测量值是从信号接收器和信号发射器的相对距离信号中得到的，因此在图1和2所示的实施例中，该测量值优选地由信号接收器和信号发射器的其中一个提供给处理器。
还需要指出是，图1和2所示实施例中的处理器可以是专用于执行位置信息确定功能的处理器，也可以是兼具执行其它功能的处理器。后者的例子包括但不限于包含在手机、手环、智能手表等电子设备内的处理器。
还需要指出的是，用于确定步行者位置的装置10和20可能还包括其它单元(例如存储器、显示屏和无线收发器等)，但是本领域内技术人员从下面的描述中将会认识到，上面提及的单元足以提供确定步行者位置信息的功能，因此为避免赘述，本实施例未对其它单元作出描述。
图3为按照本发明另一个实施例的用于确定步行者位置信息的方法的流程图。示例性地，这里利用上面借助图1和2所示的用于确定步行者位置信息的装置来实现本实施例的方法。但是对于本领域内技术人员来说可理解的是，本实施例所示的方法并不局限于具有特定结构的实体装置。
图3所示的方法开始于步骤310，在该步骤中，用于确定步行者位置信息的装置10或20进入实时工作模式。在该工作模式下，用于确定步行者位置信息的装置10或20将实时生成步行者的位置信息。
接着进入步骤320，处理器130或230确定是否接收到来自于信号接收器或信号发射器的新的步长测量值和来自于惯性测量单元的新的行进方向测量值(对于图2所示的实施例，则将接收到两个行进方向测量值)。如果接收到，则进入步骤330，否则继续等待。
在步骤330中，将新的步长测量值和行进方向测量值存储在用于确定步行者位置信息的装置10或20的内部存储器中和/或被发送给外部设备(例如手机、智能手表等)。在本实施例中，步骤330是可选的。
在步骤340，处理器130或230计算得到当前走步所产生的位移增量。图4A示出了走步的示意图。在图4A中，假设信号接收器与信号发射器分别设置在右脚和左脚上(其位置以圆点标识)，并且惯性测量单元被设置在右脚。当右脚从最下方的位置向上移动至中间的位置时即完成一个走步(第i个走步)的行走，并且当右脚从中间位置向上移动至最上方的位置时即完成下一个走步(第i+1个走步)的行走，对于左脚情况也是如此。如图4A所示，在第i个走步开始时，测得的信号接收器与信号发射器之间的距离为Δrfh,i，而当该走步结束时，测得的信号接收器与信号发射器之间的距离将变为Δrsh，i。根据图4A所示的几何关系，处理器可以按照下式计算得到当前走步所产生的位移增量：
xi＝Δri*cosθi (1)
yi＝Δri*sinθi (2)
这里xi和yi分别为步行者第i个走步(当前走步)所产生的沿横轴和纵轴的位移增量，Δri为第i个走步的步长，θi为第i个走步的行进方向测量值，Δrfh，i为第i个走步开始时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh，i为第i个走步结束时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrv为步行者双脚平行站立时双脚之间的距离。
上式(1)-(3)针对的是惯性测量单元仅提供一个行进方向测量值的情形。
图4B示出了走步的示意图。在图4B中，在图4B中，假设信号接收器与信号发射器仍然分别设置在右脚和左脚上(其位置以圆点标识)，但是惯性测量单元包含第一和第二子单元，它们被分别设置在左脚和右脚。对于惯性测量单元提供两个行进方向测量值的情形，处理器按照下式计算得到当前走步所产生的位移增量：
xr，i＝Δrr，i*cosθr，i (6)
yr，i＝Δrr，i*sinθr，i (7)
这里xi和yi分别为步行者第i个走步(当前走步)所产生的沿横轴和纵轴的位移增量，Δrr,i和Δrl,i分别为右脚和左脚的第i个走步的步长，θr,i为由第一子单元和第二子单元的其中一个提供的第i个走步的行进方向测量值，θl,i为由第一子单元和第二子单元的另一个提供的第i个走步的行进方向测量值，Δrfh,r,i为右脚第i个走步开始时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,r,i为右脚第i个走步结束时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrfh,l,i为左脚第i个走步开始时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,l,i为左脚第i个走步结束时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrv为步行者双脚平行站立时双脚之间的距离。
优选地，可以将Δrr,i和Δrl,i取为相等值，因此可以仅根据式(8)或(9)计算Δrr,i和Δrl,i中的其中一个的数值。
在执行步骤340之后进入步骤350，用于确定步行者位置信息的装置10或20向外部设备(例如手机、智能手表等)输出计算得到的当前走步所产生的位移增量，或者在其内部的呈现单元(例如显示屏)上绘制步行者运动轨迹和/或当前位置。
随后进入步骤360，用于确定步行者位置信息的装置10或20判断是否接收到退出实时工作模式的指令，如果接收到这样的指令，则退出流程，否则返回步骤320。
图5为按照本发明另一个实施例的用于确定步行者位置信息的方法的流程图。示例性地，这里利用上面借助图1和2所示的用于确定步行者位置信息的装置来实现本实施例的方法。但是对于本领域内技术人员来说可理解的是，本实施例所示的方法并不局限于具有特定结构的实体装置。
图5所示的方法开始于步骤510，在该步骤中，用于确定步行者位置信息的装置10或20进入非实时工作模式。在该工作模式下，用于确定步行者位置信息的装置10或20将根据步行者的步长测量值和行进方向测量值的历史数据确定步行者的运动轨迹历史或当前位置。
接着进入步骤520，用于确定步行者位置信息的装置10或20从内部存储器或外部设备调用步行者的测量值的历史数据。优选地，所述历史数据可以附带时间戳记以方便调用设定时段内的测量值。
随后进入步骤530。在步骤530中，处理器130或230计算得到步行者的当前位置。对于惯性测量单元仅提供一个行进方向测量值的情形，处理器按照下式计算得到当前位置：
这里x和y分别为步行者当前位置的横坐标和纵坐标，n为走步的数量，Δri为第i个走步的步长，θi为第i个走步的行进方向测量值，Δrfh,i为第i个走步开始时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,i为第i个走步结束时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrv为步行者双脚平行站立时双脚之间的距离。
对于惯性测量单元提供两个行进方向测量值的情形，处理器按照下式计算得到当前位置：
这里x和y分别为步行者位置的横坐标和纵坐标，n为走步的数量，Δrr,i和Δrl,i分别为右脚和左脚的第i个走步的步长，θr,i为由第一子单元和第二子单元的其中一个提供的第i个走步的行进方向测量值，θl,i为由第一子单元和第二子单元的另一个提供的第i个走步的行进方向测量值，Δrfh,r,i为右脚第i个走步开始时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,r,i为右脚第i个走步结束时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrfh,l,i为左脚第i个走步开始时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,l,i为左脚第i个走步结束时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrv为步行者双脚平行站立时双脚之间的距离。
优选地，可以将Δrr,i和Δrl,i取为相等值，因此可以仅根据式(19)或(20)计算Δrr,i和Δrl,i中的其中一个的数值。
需要指出的是，在步骤530中，所计算的步行者当前位置以初始位置(即，第1个走步之前步行者所处的位置)为基准，但是这仅仅是示例性的而非必需的。
在执行步骤530之后进入步骤540，用于确定步行者位置信息的装置10或20向外部设备(例如手机、智能手表等)输出计算得到的位置信息，或者在其内部的呈现单元(例如显示屏)上绘制位置信息。
按照本发明的另一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储计算机程序，该程序被处理器执行时可实现上面借助图3和4所述的用于确定步行者位置信息的方法。
虽然已经展现和讨论了本发明的一些方面，但是本领域内的技术人员应该意识到：可以在不背离本发明原理和精神的条件下对上述方面进行改变，因此本发明的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。

Claims (10)

1.一种用于确定步行者位置信息的方法，其特征在于，包含下列步骤：
获取步行者一个或多个走步的步长测量值和行进方向测量值；以及
由步长测量值和行进方向测量值确定步行者的位置信息，
其中，每个走步的步长测量值由一对设置在步行者不同下肢上的信号接收器和信号发射器提供，所述行进方向测量值由惯性测量单元提供，
其中，依照下列方式确定步行者的位置：
这里x和y分别为步行者位置的横坐标和纵坐标，n为走步的数量，Δri为第i个走步的步长，θi为第i个走步的行进方向测量值，Δrfh,i为第i个走步开始时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,i为第i个走步结束时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrv为步行者双脚平行站立时双脚之间的距离。
2.一种用于确定步行者位置信息的方法，其特征在于，包含下列步骤：
获取步行者一个或多个走步的步长测量值和行进方向测量值；以及
由步长测量值和行进方向测量值确定步行者的位置信息，
其中，每个走步的步长测量值由一对设置在步行者不同下肢上的信号接收器和信号发射器提供，所述行进方向测量值由惯性测量单元提供，
其中，所述惯性测量单元包含第一子单元和第二子单元，其设置在步行者不同的下肢上，所述方法依照下列方式确定步行者的位置：
这里x和y分别为步行者位置的横坐标和纵坐标，n为走步的数量，Δrr,i和Δrl,i分别为右脚和左脚的第i个走步的步长，θr,i为由第一子单元和第二子单元的其中一个提供的第i个走步的行进方向测量值，θl,i为由第一子单元和第二子单元的另一个提供的第i个走步的行进方向测量值，Δrfh,r,i为右脚第i个走步开始时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,r,i为右脚第i个走步结束时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrfh,l,i为左脚第i个走步开始时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,l,i为左脚第i个走步结束时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrv为步行者双脚平行站立时双脚之间的距离。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述信号接收器、信号发射器和所述惯性测量单元被设置在步行者的脚部。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述位置信息包括步行者的位置和/或行走轨迹。
5.一种用于确定步行者位置的装置，其特征在于，包含：
一对设置在步行者不同下肢上的信号接收器和信号发射器，配置为提供步行者一个或多个走步的步长测量值；
惯性测量单元，配置为提供步行者一个或多个走步的行进方向测量值；以及
处理器，配置为由步长测量值和行进方向测量值确定步行者的位置信息，其中，依照下列方式确定步行者的位置：
这里x和y分别为步行者位置的横坐标和纵坐标，n为走步的数量，Δri为第i个走步的步长，θi为第i个走步的行进方向测量值，Δrfh,i为第i个走步开始时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,i为第i个走步结束时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrv为步行者双脚平行站立时双脚之间的距离。
6.一种用于确定步行者位置的装置，其特征在于，包含：
一对设置在步行者不同下肢上的信号接收器和信号发射器，配置为提供步行者一个或多个走步的步长测量值；
惯性测量单元，配置为提供步行者一个或多个走步的行进方向测量值；以及
处理器，配置为由步长测量值和行进方向测量值确定步行者的位置信息，
其中，所述惯性测量单元包含第一子单元和第二子单元，其设置在步行者不同的下肢上，所述处理器依照下列方式确定步行者的位置：
这里x和y分别为步行者位置的横坐标和纵坐标，n为走步的数量，Δrr,i和Δrl,i分别为右脚和左脚的第i个走步的步长，θr,i为由第一子单元和第二子单元的其中一个提供的第i个走步的行进方向测量值，θl,i为由第一子单元和第二子单元的另一个提供的第i个走步的行进方向测量值，Δrfh,r,i为右脚第i个走步开始时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,r,i为右脚第i个走步结束时所述信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrfh,l,i为左脚第i个走步开始时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrsh,l,i为左脚第i个走步结束时信号接收器与信号发射器之间的距离测量值，Δrv为步行者双脚平行站立时双脚之间的距离。
7.如权利要求5或6所述的装置，其中，所述信号接收器、信号发射器和所述惯性测量单元适于设置在步行者的脚部。
8.如权利要求5或6所述的装置，其中，所述惯性测量单元与信号接收器或信号发射器集成在一起。
9.如权利要求5或6所述的装置，其中，所述位置信息包括步行者的位置和/或行走轨迹。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任意一项所述的方法。
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